KR100210065B1 - 마그네트론의 캐소드구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자렌지등의 마이크로파 가열기기에 사용되는 마그네트론에 관한 것으로, 특히 낮은 애노드전압에서도 높은 효율과 출력을 유지하는 마그네트론의 캐소드구조에 관한 것으로써, 열전자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지하도록 자속을 발생하는 영구자석과, 상기 영구자석에서 발생된 자속을 유도하도록 자로를 형성하는 자극편과, 상기 캐소드를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인이 배치된 양극통체와, 상기 양극통체에서 발생된 마이크로파를 유도하는 안테나와, 상기 캐소드에 전원을 공급하도록 상기 캐소드의 중심축을 통과하는 캐소드지지대로 이루어진 것으로, 나선형 캐소드의 필라멘트간격을 조절하여 2KV의 낮은 애노드전압에서도 70

Description

마그네트론 캐소드구조

제1도는 종래에 의한 마그네트론의 종단면도.

제2도는 제1도의 A-A선의 단면도.

제3도는 제2도의 B-B선의 단면도.

제4도는 원통형 캐소드의 단면도.

제5도는 본 발명의 일실시예에 의한 캐소드의 확대 단면도.

제6도는 본 발명의 일실시예에 의한 캐소드의 등가단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

13 : 양극통체 15 : 베인

17 : 캐소드 19,21 : 상부 및 하부엔드햇

23 : 제1캐소드지지대 25 : 제2캐소드지지대

27 : 절연세라믹 29,31 : 외부접속단자

33,35 : 제1 및 제2자극편 37,39 : 상부 및 하브금속관

41,43 : 영구자석 45 : 절연링

47 : 배기관 49 : 안테나

51 : 안테나캡 53,55 : 요우크

57 : 방열핀

본 발명은 전자렌지등의 마이크로파 가열기기에 사용되는 마그네트론에 관한 것으로, 특히 낮은 애노드전압에서도 높은 효율과 출력을 유지하는 마그네트론의 캐소드구조에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 마그네트론은 제1도에 도시한 바와같이, 동판등에 의해 원통형상으로 형성된 양극통체(13)의 내부에는 외부로 누설되는 고조파성분을 감쇄시키도록 복수개의 공진공동을 형성하는 다수(짝수)개의 베인(15)이 축심방향을 향하여 등간격으로 배치되어 있고, 이들 양극통체(13)와 베인(15)에 의해 양극부를 구성한다.

그리고, 상기 베인(15)의 선단부측 근처에는 상하부에 각각 캐패시턴스를 변화시켜 일정한 공진주파수를 얻도록 내측 및 외측균압링(15a,15b)이 상기 베인(15)을 하나 걸러서 각각 배치되어 있고, 상기 양극통체(13)의 중심축상 근처에는 상기 다수개의 베인(15)의 선단부에 의해 작용공간(14)이 형성되어 있으며, 이 작용공간(14)내에는 열전자를 방사하도록 텅스텐(W)과 산화토륨(ThO₂)을 혼합하여 소결시킨 필라멘트를 나선형상으로 권회한 캐소드(17)가 상기 양극통체(13)와 동축형상으로 배치되어 있다.

상기 캐소드(17)의 양단부에는 발진에 기여하지 못하는 손실전류인 열전자가 중심축 방향으로 방사되는 것을 방지하도록 상부 및 하부엔드햇(19,21)이 고착되어 있고, 상기 하부엔드햇(21)의 중앙부에는 몰리브덴제의 중앙지지체인 제1캐소드지지대(23)가 상기 중앙부에 형성된 관통구멍을 통해서 상기 상부엔드햇(19)의 하단부에 용접고착되어 있으며, 상기 하부엔드햇(21)의 바닥면에는 몰리브덴제의 제2캐소드지지대(25)가 용접고착되어 있다.

여기에서, 상기 제1캐소드지지대(23)는 상기 캐소드(17)의 중심축을 관통하면서 상기 상부엔드햇(19)을 지지하고, 상기 제1 및 제2캐소드지지대(23,25)는 마그네트론의 음극을 지지고정하는 절연세라믹(17)에 형성된 관통구멍을 통해 도시되지 않은 전원단자에 접속되어 있는 제1 및 제2외부접속단자(29,31)에 전기적으로 접속되어 상기 캐소드(17)에 동작전류를 공급하는 것이다.

또한, 상기 양극통체(13)의 양측개구부에는 상기 캐소드(17)와 베인(15)에 의해 형성되는 작용공간(14)내에 균일하게 자속을 형성하도록 자로를 형성하는 자성체인 깔대기형상의 제1 및 제2자극편(33,35)이 상기 양극통체(13)의 양단부 내측에 절결된 위치에 안착되어서 잔류하는 양단부 외측 가장자리를 절곡하여 고정한다음 기밀하게 용접고착되어 있다.

상기 제1 및 제 2자극편(33,35)의 상하부에는 상기 양극통체(13)의 내부를 진공으로 밀봉하기 위한 상부 및 하부금속관(37,39)이 상기 제1 및 제 2자극편 (33,35)의 중간부 혹은 상기 양극통체(13)의 양측개구단부에 각각 기밀하게 용접고착되어 있다.

또, 상기 상부 및 하부금속관(37,39)의 외측면에는 상기 양극통체(13)내의 일정한 자계분포를 유지하도록 링형상의 영구자석(41,43)이 상기 양극통체(13)의 상부 및 하부의 좌우에 소정의 거리를 두고 배치되어 있고, 상기 마그네트론(4)의 출력부를 구성하는 상기 상부금속관(37)의 상부개구단부에는 상부금속관(37) 및 후술하는 안테나를 절연시키도록 세라믹으로 이루어진 원통형상의 출력측 절연링(45)이 접합되어 있다.

또한 도면에 있어서, 상기 절연링(45)의 상부측 선단부에는 동으로 이루어진 배기관(47)이 접합되어 있고, 상기 배기관(47)의 내측 중앙부근처에는 공진공동내에 발진된 고주파를 출력하도록 상기 베인(15) 하나로부터 도출된 안테나(49)가 상기 제1 자극편(33)의 관통구멍을 통과하여 축상으로 연장되면서 상기 안테나(49)의 끝이 상기 배기관(47)에 의해 고정되어 있다.

그리고, 상기 배기관(47)의 외측면에는 상기 배기관(47)의 용접고착부를 보호함은 물론, 전계집중에 의한 스파크방지 및 고주파안테나의 작용을 함과 동시에 고주파 출력을 외부로 끌어내는 안테나캡(51)이 씌워져 있다.

또한, 상기 양극통체(13)의 외주면에는 귀환되는 자속을 연결하기위해 상기 양극통체(13)내의 자속량을 결정하는 요우크(53,55)가 설치되어 있고, 상기 요우크(53,55)내에는 관의 직경방향으로 뻗은 복수개의 알루미늄 방열핀(57)이 상기 요우크(53,55)에 고정된 클램프부재(55a)에 의해 감합배치되어 상기 영구자석(41,43)과 함께 자로 형성용 요우크(53,55)에 의해 덮여 있다.

한편, 상시 캐소드(17)는 제2도 및 제3도에 도시한 바와같이, 나선구조의 지름(이하, 캐소드지름이라 한다)이 dc이고, 나선상에서 이웃하는 필라멘트선의 중심사이 거리(이하, 캐소드스템이라 한다)가 s이며, 캐소드(17)의 중심축을 기준으로 대칭되게 배열되어 있는 베인(15)간의 거리(이하, 애노드지름이라 한다)가 da이고, 제1캐소드지지대(23)의 지름(이하, 캐소드스템지름이라 한다)이 ds이다.

상기와 같은 구성된 마그네트론에 있어서, 관계계수(K)는 아래의 (1)식에 도시한 바와 같다.

그리고, 나선형 캐소드(17)를 갖는 종래의 마그네트론에서 캐소드스템(s)의 길이는 애노드와 캐소드(17)간의 거리[(da-dc)/2]에 비하여 훨씬 작으므로 관계계수(K)값은 약 5.0정도로 매우 크다.

따라서, 나선형 캐소드(17)는 제4도에 도시된 바와 같이, 캐소드지름(dc)과 동일한 지름을 갖는 원통형 캐소드(100)와 같이 작용한다.

결론적으로, 나선형 캐소드(17)를 갖는 종래의 마그네트론은 제4도에 도시된 바와같이, 나선형 캐소드(17)의 캐소드지름(dc)과 동일한 지름의 원통형 캐소드(100)를 갖고, 애노드-캐소드 간격이 같은 마그네트론과 동작특성이 동일하다.

상기와 같은 종래의 마그네트론에 있어서, 캐소드(17)의 양단에 4KV의 애노드전압(Va:동작전압)이 인가될 경우, 마그네트론의 효율을 70이상의 높은 효율을 갖는다.

그리고, 기존의 전자렌지에 있어서, 상기 마그네트론의 애노드전압(Va)을 감소시키는 것은 안정성과 경제적으로 여러 가지 잇점을 제공하나, 나선형 캐소드(17)를 갖는 종래의 4KV 마그네트론은 애노드전압(Va)을 2KV로 낮출 경우 효율이 55로 감소한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기위해 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 나선형 캐소드의 필라멘트간격을 조절하여 2KV의 낮은 애노드전압에서도 70의 높은 효율을 얻을 수 있는 마그네트론의 캐소드구조에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 마그네트론의 캐소드구조는 열전자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지하도록 자속을 발생하는 영구자석과, 상기 영구자석에서 발생된 자속을 유도하도록 자로를 형성하는 자극편과, 상기 캐소드를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인이 배치된 양극통체와, 상기 양극통체에서 발생된 마이크로파를 유도하는 안테나와, 상기 캐소드에 전원을 공급하도록 상기 캐소드의 중심축을 통과하는 캐소드지지대로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제5도는 본 발명의 일실시예에 의한 캐소드의 확대단면도로써, 제3도와 동일한 부분에 대해서는 동일부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다.

제5도에 도시한 바와같이, 텅스텐(W)과 산화토륨(ThO₂)분말을 혼합하여 소결한 필라멘트를 나선형상으로 권회한 캐소드(17)의 이웃한 필라멘트 중심간의 거리 즉, 필라멘트간격(s; 이하, 캐소드스템이라 한다)을 조절하여 관계계수(K)값을 3.7과 같거나 작게 설계한다.

이하, 상기와 같이 구성된 마그네트론의 캐소드구조의 작용효과를 설명한다.

마크네트론의 전자효율(η_e)은 아래의 (2)식에 도시한 바와같다.

여기에서, e는 전자의 전하량, m은 전자의 질량, f는 동작주파수, Vo는 애노드 표면에서 이웃한 베인벽 사이의 기준전압, N은 베인수, Va는 애노드전압이다.

따라서, 애노드전압(Va)을 초기 0부터 증가시켰을 때, 발진이 시작되는 전압(Vst)는 아래의 (3)식에 도시한 바와같다.

이에 따라, 상기의 (2)식을 다시 쓰면 아래의 (4)식에 도시한 바와같다.

상기의 (2)식에서 보면, 동작주파수(f)를 변화시키지 않고 종래 마그네트론의 애노드전압(Va)보다 낮은 전압에서 동일한 효율을 내기 위해서는, 애노드지름(da) 대비 베인수(N)의 비(da/N)를 줄여야만 한다.

그러나, 마그네트론에서 애노드지름(da)을 감소시키면 출력이 같이 감소하고, 베인수(N)를 증가시키면 마그네크론의 발진시 안정성이 떨어진다.

그리고, 상기의 (3)식과 (4)식에서 알 수 있는 것은 da/dc값이 작으면, 마그네트론의 효율은 증가하지만 발진시작전압(Vst)이 증가한다는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 발진시작전압(Vst)을 증가시키지 않고 마그네트론의 효율이 da/dc값에 의해 변한다는 점을 이용하여 효율증가를 얻을 수 있었다.

그리고, 나선형 캐소드(17)를 갖는 마그네트론이 제5도에 도시된 바와같이, 중심축 방향에 따라 주기적으로 변화하는 여러개의 캐소드(17)와 같이 작용한다는 점을 이용하여 나선형 필라멘트 캐소드(17)의 캐소드스템(s)을 조절함으로서 마그네트론이 낮은 애노드전압(Va; 약 2KV)에서도 70의 높은 효율을 갖고 동작가능하도록 하였다.

또한, 나선형 캐소드(17)에서 관계계수(K)값이 3.7보다 작은 캐소드(17)는 제6도에 도시된 바와같이, 지름이 다른 두 개의 원통형 캐소드(110,120)가 연속적으로 번갈아 놓여 있는 캐소드와 동일한 효과를 갖는다.

이에 따라, 나선형 캐소드(17)를 갖는 마그네트론은 두 종류의 마그네트론이 연속적으로 번갈아 놓여 있고, 이때 각각의 마그네트론은 공진기의 일부만으로 구성되고 길이는 S/2인 것과 등가이다.

제6도에 도시된 개별 마그네트론 1,3,5,7의 캐소드(110)는 지름(dc1)이 나선형 캐소드(17)의 캐소드지름(dc)과 같다.

그리고, 튜드의 이론에 의하면, 제6도에 도시된 개별 마그네트론 2,4,6,8의 캐소드(120)는 지름(dc2)이 나선형 캐소드(17)의 캐소드지름(dc)과 캐소드스템지름(ds)사이의 값이다.

나선형 캐소드(17)의 캐소드스템(s)이 증가하면, 개별 마그네트론 2,4,6,8의 캐소드지름(dc2)은 감소하고 이때의 전자효율(η_e)은 상기의 (4)식에 의해 증가함을 알 수 있다.

결론적으로, 개별 마그네트론 2,4,6,8의 효율증가는 전체 마그네트론 1,2,3,4,5,6,7,8의 평균효율을 증가시키고, 이러한 효율상승은 관계계수(K)값이 3.7이하일 때 크게 증가함을 발견하였다.

따라서, 기존 전자렌지용 4KV 마그네트론에서 관계계수(K)값이 보통 5.0인 것을 본 발명에서는 관계계수(K)값을 3.7과 같거나 작게 하여 애노드전압(Va)을 4KV에서 2KV로 감소시키는 구조변경에서 발생되는 효율감소를 보상하였다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 마그네트론의 캐소드구조에 의하면, 나성형 캐소드의 필라멘트간격을 조절하여 2KV의 낮은 애노드전압에서도 70의 높은 효율과 출력을 얻을 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (3)

1. 캐소드지름과 애노드지름 및 캐소드스템(s)에 의해 결정되는 관계계수(K)값이 2KV의 애노드전압에서 70의 효율을 얻도록 설정된 캐소드와, 상기 캐소드로부터 방출되는 전자를 편향하여 회전운동을 유지시키도록 자속을 발생하는 영구자석과, 상기 영구자석에서 발생된 자속을 유도하도록 자로를 형성하는 자극편과, 상기 캐소드를 외측에서 둘러싸서 마이크로파를 발생하도록 다수의 베인이 배치된 양극통체와, 상기 양극통체에서 발생된 마이크로파를 유도하는 안테나와, 상기 캐소드에 전원을 공급하도록 상기 캐소드의 중심축을 통과하는 캐소드지지대로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 관계계수(K)값은 상기 캐소드의 캐소드스템(s)을 조절하여 결정하는 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 관계계수(K)값은 3.7이하인 것을 특징으로 하는 마그네트론의 캐소드구조.